Одна из ловушек информационного общества – намеренное создание шума вокруг технологий, поддержанных теми или иными интересантами, и как следствие – укоренение в массовом сознании впечатлений о панацее, философском камне, абсолютном благе той или иной новации. Тем ценнее возможность критически оценить перспективы водородной энергетики. В работе открытого семинара НИУ «Высшая школа экономики» на тему «Перспективы водородной энергетики – ожидания и вызовы» принял участие Сергей Соловьев, доктор технических наук, член Научно-технического совета Госкорпорации «Росатом», научный руководитель АО «ВНИИАЭС» и направления «Атомные станции малой мощности»
Модератор дискуссии, руководитель департамента мировой экономики НИУ ВШЭ Игорь Макаров напомнил, что активность обсуждения перспектив водорода в последнее время не имеет в основе каких-либо новейших открытий, все преимущества и издержки известны давно. Новый импульс в обсуждениях связан с усилиями в области декарбонизации, кроме того, проявились как преимущества возобновляемых источников энергии, так и ограничения – неритмичность работы. Водород в этом аспекте выглядит как идеальный энергоноситель, который может производиться с помощью низкоуглеродных источников. Однако наряду с экономическими расчетами и технически грамотными проектами есть и много спекуляций. Тему важно обсуждать: Россия отстает от других стран в развитии водородной энергетики и даже в целеполагании. Впрочем, программа развития водородной энергетики в этом году представлена. Амбициозный план развития водородной энергетики реализует Япония; Европейский союз рассматривает водородную энергетику как неотъемлемую часть зеленого курса. Ряд стран, в том числе богатых углеводородами (Саудовская Аравия, Норвегия), тоже реализуют проекты по водороду. У России есть и технологии, и сырье, и ниша надежного поставщика ресурсов. Но может ли водородная энергетика действительно стать новой энергетической системой мира? В каких регионах это произойдет быстрее? Какие технические и экономические сложности лежат на этом пути? И наконец, что Россия может предложить как для внутреннего потребления, так и для экспорта?
Цветной водород: без палитры не разберешься. . .
Научный руководитель ВНИИАЭС Сергей Соловьев предупредил, что хотел бы обсудить водородную энергетику не с позиции сотрудника Росатома, но как технарь, в простых и прагматических категориях. По его словам, развитие водородной энергетики нужно поддерживать. Тем не менее в 2020 году, как научный руководитель ВНИИАЭС и председатель НТС, он уже «притормозил» пять проектов по водороду с туманными целями на общую сумму больше 4 млрд руб.: неоправданные темпы развития водородной энергетики не отвечают реальным потребностям. Распоряжение Правительства РФ от 12 октября 2020 г. № 2634-р об утверждении плана мероприятий («дорожной карты») по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года также выдержано в духе разумной осторожности: развитие водородной энергетики, прежде всего, воспринимается как ответ на вызов энергобезопасности, связанный с изменением структуры спроса на энергоресурсы. Однако остается открытым вопрос: ждут ли за рубежом российский водород? Из школьного курса известно, что водород – бесцветный газ. Но в идеологии наших европейских партнеров он приобрел цвета и оттенки: наиболее известен зеленый, за ним идут голубой и серый, есть и «турецкий». Водороду атомного происхождения присвоен, вероятно не случайно, вообще оранжевый цвет. Как будет оцениваться степень зелености российского водорода? Так, наш основной партнер, Германия, говорит о стремлении покупать зеленый, произведенный на электролизерах из энергии возобновляемых источников.
В законодательном акте справедливо заостряется внимание на вопросах внешнего рынка. В ряду энергетических проектов есть негативные примеры, когда ошибочная оценка внешнего рынка либо приостановила, либо осложнила проекты. Есть прецеденты отказа от покупки электроэнергии, произведенной на строящихся АЭС. Общеизвестна неоднозначная ситуация с маршрутами транспортировки газа. Принимая в качестве курса тренд на развитие водородной энергетики как экспортно ориентированной, желательно иметь гарантии, что этот продукт будут покупать в приемлемом количестве и без ценовой дискриминации под предлогом неверного «цвета». Риски существенного инвестирования бюджетных и ведомственных средств должны получить взвешенную оценку межведомственного, междисциплинарного сообщества.
Области применения водорода хорошо известны – это аккумулятор энергии, энергоноситель, ценный химический реагент. В рамках политики «энергетического поворота» Европы озвучены оценки, что к 2050 году благодаря ВИЭ в сочетании с водородом будет достигнуто надежное энергообеспечение стран ЕС при углеродной нейтральности. Но даже первичные оценки показывают, что цена такого энергоснабжения станет на 30–40% выше, чем при использовании традиционной тепловой и атомной энергетики.
Как научный руководитель приоритетного направления научно-технологического развития Росатома «АЭС малой мощности», Сергей Соловьев подчеркнул, что интерес атомной отрасли к водородной энергетике закономерен. Для малой энергетики аккумулирование водорода – это возможность дополнительной выработки энергии с временным задействованием паровой турбины. Если пиковая кратковременная мощность составляет 5 МВт, а базовая потребность около 700 кВт, то установка мегаваттного класса, работая на номинальном уровне нагрузки, позволит обратить избыток энергии в водород, а затем выдать в нужный момент требуемую пиковую мощность, сжигая водород в кислородной среде на турбоустановке (пример не умозрительный: подобное решение прорабатывалось силами Объединенного института высоких температур РАН для практических целей). Но это решение для специальных задач, а не для аккумулирования в промышленных масштабах.
Так, при обсуждении на НТС Росатома (по теме проекта «Прорыв») применимость водородных технологий для маневрирования мощностью больших АЭС было показано, что КПД нескольких переделов (электричество в водород, затем из водорода – электричество) снизит КПД до10%, и даже разница тарифов не сделает такую установку экономически выгодной. Эти и другие примеры показывают, что к идеям и концепциям нужно относиться со скепсисом: в ряде случаев использование водорода оправдано, но гораздо больше областей, где это на данный момент экономически не выгодно.
Имеем желание, но не имеем возможности
Даже поверхностная оценка плана по производству к 2050 году на АЭС России до 50 млн тонн водорода в год (при сегодняшнем мировом производстве 78 млн тонн) показывает, что для этого сегодняшний объем строительства придется увеличить более чем на порядок, сохранив также строительные программы других актуальных программ – промышленного освоения двухкомпонентной атомной энергетики, замещающих мощностей. Пожалуй, даже экспертов Ростехнадзора на лицензирование такого количества проектов не найти, что уж говорить о строителях, наладчиках, проектантах. Даже имея желание, ответственная корпорация точно не имеет возможности делать такие инвестиции, не имея гарантий сбыта. Но с точки зрения научно-технологических заделов атомная отрасль страны готова к существенному наращиванию производства водорода: разработки высокотемпературных реакторов есть и в России, и в мире.
Горит он синим пламенем
Высокая удельная теплота сгорания водорода, о которой говорят его сторонники, интересна для энергетики. Однако это потребует значительной переработки энергетического оборудования, отработки новых материалов, устойчивых к повышенной температуре. Малый размер молекул приводит к тому, что водород просачивается через любые трещины, приводит к искажению свойств кристаллических решеток конструкционных материалов (наводораживанию).
Мегаватты тоже немножечко мегатонны
Важна обратная сторона водородной энергетики – водородная безопасность. Свойство водорода – высокая взрывоопасность при смеси с воздухом: один килограмм водорода в смеси с кислородом – это 30 кг в тротиловом эквиваленте. Сергей Соловьев напомнил, что именно взрыв водорода, выделявшегося из расплавленной активной зоны, стал причиной разрушения корпусов на АЭС «Фукусима». Водородная взрывобезопасность упоминается в программных документах, но без конкретики. Расчеты показывают, что при постулируемой запроектной аварии блок мощностью 1000 МВт при гипотетическом наихудшем развитии событий способен выбросить до одной тонны водорода при окислении оболочек твэлов. Именно по этой причине выполняются детальные проработки и принимаются меры по водородной безопасности на всех действующих АЭС, разработаны и внедрены рекомбинаторы водорода, выполняется моделирование таких событий, и так далее.
Документы по водородной безопасности в Ростехнадзоре есть, но они не содержат количественных критериев, что как раз говорит о недостаточной изученности проблемы. Приступая к полномасштабному развитию водородной энергетики, пробелы нужно закрыть выполнением НИР и ОКР по различным аспектам водородной безопасности. Эта работа может иметь международное значение: общепризнанные нормативы водородной безопасности отсутствуют и на международном уровне. Нормы опасных концентраций в разных странах отличаются, и требуется выработка единых норм, ведь, претендуя на глобальное использование, водород детонирует одинаково, вне зависимости от цвета и страны происхождения и местных нормативов.
Как руководитель комплексной программы Концерна по водородной взрывобезопасности при тяжелых авариях Сергей Соловьев коротко рассказал об отраслевой кооперации усилий на этом направлении. Работа ведется совместно с федеральными ядерными центрами с Сарове и Снежинске; большой вклад сделан ИБРАЭ РАН. Благодаря Виртуально-цифровой АЭС и вычислениям «цифровых двойников» в Концерне научились рассчитывать распространение водорода при тяжелых запроектных авариях и принимать меры. Команда профессионалов Росатома, погруженных в проблематику водородной безопасности, опираясь на сертифицированные методики и аттестованные в Ростехнадзоре программные средства, может сделать неоценимый вклад в понимание тех потенциальных проблем водородной энергетики, о которых сторонники водорода пока не задумываются. Не все поклонники водородных автомобилей знают, что такую машину можно оставлять только на открытой площадке; любое закрытое помещение – это возможность для утекающего водорода стратифицироваться и, найдя такую возможность например, от искры статического электричества), взорваться с самыми неприятными последствиями.
И в мире, и в России есть стендовая база исследования водородной взрывобезопасности. В распоряжении Росатома – не только испытательные мощности ВНИИТФ в Снежинске, но и уникальный стенд объемом около 2 тыс. куб. м в НИТИ им. Александрова в Сосновом Бору, на котором (с использованием гелия как безопасного имитатора водорода) можно оценивать сложные вопросы обоснования безопасности блоков АЭС с учетом масштабного фактора. Российские ученые, авторы ряда публикаций в международных журналах по обеспечению водородной взрывоопасности, знают методы ее обеспечения. Но разработка нормативов и методов для широкого применения водорода практически до бытового использования – задача, которую только предстоит решить.
Можно, но осторожно
Таким образом, считает Сергей Соловьев, за водородной энергетикой действительно вполне может быть признано светлое будущее, в какой бы цвет ее ни окрашивали. Но темпы реального ее развития для России должны быть обусловлены тем, какие рынки сбыта мы найдем, и будет ли водород, произведенный посредством АЭС, свободно продаваться. В целом есть необходимость проведения междисциплинарного и непредвзятого исследования, позволяющего доказать потенциальным покупателям реальный объем «углеродного следа» на киловатт-час энергии и АЭС, и всех других типов генерации, в том числе ВИЭ, биоресурсов, ГЭС. Нужен и грамотный анализ емкости рынков сбыта. Развивая водородную энергетику с пониманием взрывоопасности водорода, необходимо формировать надлежащую культуру эксплуатации. Главное, закончил свое выступление Сергей Соловьев – не занимать позицию страуса, который прячет голову в песок, игнорируя происходящее*.
* Прим. ред. Заметим, что страус делает так, чтобы лучше слышать: песок передаёт звуки дальше воздуха. Обнаружив опасность, страус либо спасается бегством, либо ликвидирует угрозу, в обоих случаях используя мощные ноги. Но этот факт не отменяет, а лишь углубляет смысл поговорки о «страусиной политике», которая для корпорации знаний во всех вариантах безусловно неприемлема.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
